CN1909342A - 电动自行车专用无电感直流电动机及车体与电气控制系统 - Google Patents

Abstract

电动自行车专用无电感高效直流电动机及其车体与电气控制系统，本电动自行车专用电动机由主电机与副电机组合而成，它们工作时无需改变其通电线圈中电流的方向和磁场的极性，而且通电线圈也无电感产生，所以也无需使用换向器或电子换流电路。它运用了呈放射状排列的多根通电导线在一个与其垂直的匀强磁场中始终受到同方向力的作用原理。本电动自行车还为其设计了专用的电机电气控电路和自行车车架与自行车外观的设计方案。本电动自行车已从整体上作了全面的设计，尤其是专用电动机的结构相对要比普通直流电动机结构简单且工作效率更高，还具有较大的爬坡能力。

Description

电动自行车专用无电感直流电动机及车体与电气控制系统

【技术领域】

本发明涉及一种电动机及电机控制装置，具体说是一种电动自行车专用无电感的高效轮毂直流电动机及其电气控制系统，其中电动机又称为多盘式无刷无电感轮毂直流电动机。

【背景技术】

普通直流电动机其基本原理为：通电的线圈在一个磁场中受到磁场力的作用。而这个通电线圈在磁场中始终分为两段有效长度导线，这两段有效长度的导线同时通过方向相对相反的电流而同时产生磁场力的作用，这两段有效长度导线再通过两侧导线将其串联后便形成一个闭合的通电线圈。但是在其通电运转的过程中必须按时改变通电线圈电流的方向或者是按时改变磁场的极性。如果把磁场作为定子而通电线圈作为转子，那么转子每转一周则要改变一次通电线圈电流的方向，或者不改变通电线圈电流的方向那就要改变一次磁场的极性。又如果把磁场作为转子而通电线圈作为定子，那么转子每转一周，同样通电线圈要改变一次电流的方向，或者不改变通电线圈电流的方向，也同样就要改变一次磁场的极性。只有这样才能维持电机不断旋转。

【发明内容】

普通直流电动机始终存在着换向或换相的问题，它们一般都采用换向器进行换向或者是电子换相电路进行换流，它们无论是对通电线圈进行换流还是对通电电磁场进行改变极性，但总是需要按时改变着电流的方向和大小，使通电线圈中的电流不断的发生改变。当一个通电线圈中的电流大小发生变化时，其产生的电磁场也相应的发生变化，随着电磁场的变化那么这个通电线圈内也必然会产生感应电势或自感电流，这个自感电势始终要阻碍着原电流的变化，如果产生的自感电势较高时更会给电机的换向工作带来更多的麻烦，特别是交流电动机其磁场线圈为多绕组串联，当通过交流电流时便会在线圈内产生较强电感效应，因为产生的电感总是要阻碍原电流的变化，结果就使得线圈中通过的电流落后于电压，使其功率因数降低工作效率也降低。为了解决以上电机的缺点，本发明的目的是提供一种全新又简单的无换向无电感高效直流电动机。它工作时无需复杂的换流设备，也不会产生电感效应，因而使其在各个方面都提高了电动机的工作效率。

(一)本发明的工作原理及其电机的产生：本电动机利用呈放射状排列且呈放射状进行通电的多根导线在一个与其垂直的匀强磁场中始终受到同方向力的作用的原理。将呈放射状排列的多根导线进行全部首尾串联连接后即可成为一个整体的通电线圈，这个整体的通电线圈接通电压后，即所有的有效导线内便可产生由圆心向圆周方向作均匀的放射状流动的电流或者是由圆周向圆心方向作均匀的反放射状流动的电流，这样总体来说它们通电电流的方向就是一致的。专门为这样的通电线圈所提供磁场的为永磁体，这样的永磁体应该设计成圆盘状，这个圆盘形的永磁体就有两个面即两个极，一个面为S极，另一个面为N极。当把通电的放射状排列线圈与圆盘永磁体进行吻合靠拢后，并在其中心部位设一根主轴同时穿过线圈和永磁体，然后或是将放射状线圈的中心与主轴相固定，或是将圆盘形永磁体的中心与主轴相固定均可。这样放射状线圈便处在与其磁力线垂直的圆盘形永磁体附近的均强磁场中，这样通电的放射状线圈便会在圆盘形永磁体的磁场中受到一个同方向力的作用而产生相对的运转。

(二)本发明的实际设计方案：本发明实际上是设计的一个主电机和二个副电机进行组合而成。其中主电机部分是设计呈放射状排列的线圈与其中心穿过的主轴相连接固定后作为定子，而把圆盘形永磁体通过轴承再与其中心穿过的主轴相连接后作为转子。而副电机的设计则与其相反，即将通电线圈与主轴相连接固定后作为转子，而把圆盘形永磁体通过轴承再与主轴相连接后作为定子。在实际设计中，是把通电的放射状排列的线圈嵌在两面都有浅槽的圆盘状定子铁芯里面进行固定。也就是说线圈可以直接进行绕制在这个圆盘形的定子铁芯上面而成为一个整体的通电线圈。再把圆盘形永磁体与相同形状的转子铁芯进行粘接固定，使它们各自成为一个不可分开的整体。在实际设计中绕有线圈的导磁铁芯两个面的附近各有一个异极性的永磁体同时提供异极性的磁场。这样当这个线圈接通电源后即可在定子铁芯的两面形成相反方向流动的电流，这样当它们处在异性磁场中时便可使定子和转子之间发生相对的旋转。在实际中主电机设计安装了两个圆盘形定子铁芯与固定主轴相连接成为一个整体，设计安装了三个圆盘形的永磁体与转子铁芯相连接成一个整体。而每一个副电机则只安装一个圆盘形转子铁芯与转轴相连接成为一个整体，安装两个圆盘形的永磁体与定子铁芯相连接成为一个整体。并且还设计两个副电机分别安装在主电机的两侧，可同时对主电机进行减速的力的传动。在实际的自行车行驶当中，设计主电机只在较平的路面正常的行驶工作，而设计副电机只在零速起步和爬坡时才向主电机齿轮传递较大的力矩，从而保护使主电机无需进行大负荷的工作。而且本发明还对电动自行车的电气控制电路以及自行车的车架和外观进行了详实的设计。

(三)本发明的各大部分具体说明

本发明将其主电机部分、副电机部分和电气控制系统进行分类具体说明。

1、主电机部分由固定的定子主轴、前定子铁芯、后定子铁芯、线圈绕组、导线穿孔以及运动的前转子铁芯、后转子铁芯、圆盘形运动永磁体、非导磁圈、固定螺丝、前减速齿轮、后减速齿轮、滚柱式轴承、超越离合器、制动毂组成。主电机的作用是只保持自行车在较为平坦的道路上正常行驶，而不会进行爬坡的工作。

定子主轴是整个电机的支撑体，它用于固定两个圆盘形的定子铁芯和通过轴承后支撑转子部分的旋转运动。定子主轴为中间部分较粗大而两端较细小的形状。且在其两端较细的轴部分各设了一个向内凹入的长形键槽，用于两个副电机的连接和固定。然后还在其中间部分设了两道稍凸出的卡环，这是在安装两个定子铁芯时的止推卡环。在定子主轴两端的轴心部分还各设有一道一定长度的导线穿孔，便于穿过连接的电源导线。定子主轴也称导磁主轴，它也是全部永磁体的磁力线回路中的一个导磁体。定子主轴要求采用高导磁、高导热、高电阻和高机械强度的合金材料加工。

定子铁芯总体上呈一个圆盘形状，其中心部位的圆孔大小只能让定子主轴刚好穿过。定子铁芯主要是供呈放射状排列线圈的绕制和固定。同时引导磁场的磁力线通过后形成回路。因它主要是绕制和固定线圈，所以应在其两个侧面上也设计了较多的放射状排列的凹槽，每个凹槽只绕一根导线即可。因定子铁芯始终处在旋转的磁场附近，其铁芯内必会感应出感生电流，所以可采用较薄的且相互绝缘的多片式电工铁片叠合而成。而且叠合的定子铁芯的厚度一定要达到两异性磁场的磁力线能够顺利通过的要求是关键。前、后定子铁芯总体上是相同的。定子铁芯在与定子主轴进行组合安装的过程中需要通过热胀冷缩法进行固定，其中定子铁芯可通过液体进行加热的方法比较合理。

线圈绕组所有的有效体部分都呈放射状进行排列，目的是促使其通过的电流能够从圆心向圆周处作放射状的流动或者是使其通过的电流能够从圆周向圆心处作反放射状的流动。所有通过的电流可以看作是始终向着同一个方向流动，这样当这个线圈处在一个磁场附近时，它便可绕轴作同方向的旋转运动。实际设计中主电机有两个定子铁芯，同时也设计了两个线圈绕组，每个线圈绕组的一个极与导线穿孔内的电源线相连接，而另一个极则直接搭铁，因为电源的负极是通过车体进行传导。线圈绕组在实际设计中，最好采用每个定子铁芯上所绕制的线圈再分为两组后并联连接，这样可减小线圈工作时的反电动势，提高输入调速电压的宽度。

前转子铁芯主要是固定永磁体和通过轴承支撑电机转子部分绕定子主轴旋转，它还直接与辐条和车轮相连接固定而构成带轮毂电机的整体式车轮。所以前转子铁芯设计成一个圆罩形状的结构体，它的圆心处有一圆孔，这个圆孔可以穿过主轴后并与主轴保持极小的间隙。在这个圆孔的外侧设计有向外侧凸出的圆筒形毂，它和前转子铁芯是一个相连的整体。在这个毂的外圆周处安装有前减速齿轮。而其内圆周处则是安装与主轴进行活动连接的轴承。前转子铁芯内侧的圆盘形的表面则粘接固定有圆盘形永磁体。后转子铁芯则呈圆盘状，它与前转子铁芯进行靠拢吻合后刚好构成一个较密封的圆筒的毂式，后转子铁芯的中心圆孔也是可以穿过主轴并与主轴保持着极小的间隙。圆孔的外侧也设计有圆筒毂，只是这个圆筒较延长了一些，它的内圆周处除了要安装轴承外，还要安装外胀式的制动器，而且它的外圆周处也安装有后减速齿轮。前、后转子铁芯是通过几个固定螺丝进行吻合锁紧后而构成的一个较密封的毂式电机机体。转子铁芯也是电机磁场磁力线构成回路的一个主要通道，所以转子铁芯要求采用高导磁高机械强度的金属材料加工。

圆盘形运动永磁体是电机磁场的磁源。主电机共设计安装了三个呈圆盘形状的永磁体，即前、后转子铁芯的内表面各安装一个，在两个圆盘形定子铁芯之间的空隙中再安装一个。而这个中间的永磁体是通过外圆周处的螺丝进行固定，即几个固定螺丝顺着前转子铁芯的外圆周处进行安装，首先穿过其罩状体后再拧入中间永磁体内锁紧，并使它与前、后定子铁芯之间进行运动时始终保持着较小的磁场间隙。这三个圆盘形永磁体的厚度要求在其附近的通电线圈内通过较大的电流时，仍然能够保持永磁体的原有磁性，即永磁体一定要达到抗退磁的厚度。所以一定要采用磁感应强度高、矫顽力高、磁能积高、密度大的永磁体进行加工(最好采用纳米永磁来减小体积)。

非导磁圈是直接套在圆盘形永磁体的外圆周处，它主要是使其外圆周处与转子铁芯保持较小距离的隔开后并进行固定作用。为的是不让永磁体外圆周处与转子铁芯直接的接触，从而使更多的磁力线安过定子铁芯。可采用密度小、非导磁的材料加工。

前减速齿轮其实是由超越离合器与齿轮盘组成。它直接套在前转子铁芯外侧的圆筒式毂外圆处。副电机齿轮可通过这个减速齿轮对主电机或车轮传递较大的力矩的作用。但是当主电机运转工作时通过减速齿轮的超越离合器的作用，主电机并不会带动副电机同时旋转，这样可减少副电机的磨擦。后减速齿轮安装在后转子铁芯上，它的结构与功能和前减速齿轮完全相同。减速齿轮应采用非导磁材料加工。

2、副电机部分由转子主轴、转子铁芯、电枢线圈、前定子铁芯、后定子铁芯、圆盘形固定永磁体、滚珠轴承、磨擦套、电刷、副电机固定机架、机架端盖、前后副电机固定连接条、副电机齿轮、固定螺丝、固定键组成。副电机组的作用是只在自行车进行零速起步和进行爬坡时才正常工作。

副电机的结构在大体上与主电机结构是相似的，只是副电机只设计了一个带电枢的转子铁芯，并且它采用以旋转电枢的方式进行设计，即把提供磁场的永磁体进行固定而把通电的线圈作为转子部分，所以它要比主电机多了一个单电刷为旋转的电枢供给电能。另外在副电机转子铁芯的两端所设计的是代替滚球轴承的磨擦套，因为副电机只是作为辅助工作，所以连续工作时间并不长。实际中的磨擦套还应设计润滑油储油孔。磨擦套要求用导磁、导电、且耐磨的材料加工。

副电机的固定机架由固定主机架和机架端盖组成。主机架是固定副电机的一个框架体，这个框架体的内空部分可以安装副电机机体。首先在副电机的外圆周定子部分设计了七个凸缘，同时也在这个框架体的内空圆周处设计了七个相应凹槽，这样将副电机安装进去后，再在框架体周围锁进几个固定螺丝即可将副电机与框架体连成一个牢固的整体结构。然后在这个框架体的下面凸起的尾部分设计了一个带卡口的圆孔，这样就可以将两个主机架安装在主电机定子主轴的两端了，再通过固定键将定子主轴和主机架强行卡住，使它们无法摆动而成为一个整体。最后采用一根前后副电机固定连接条将这两个副电机同时牢牢的连接固定。

机架端盖是安装固定在副电机机架的内侧，它主要是支撑且分担副电机转子主轴的一部分轴承压力，在这个延长的转子主轴与机架端盖处安装一个较小的滚珠轴承，这样便可使转子主轴两端的磨擦套减少更多的压力。副电机齿轮安装在机架端盖与主机架之间的转子主轴上，副电机就是通过这个齿轮对主电机或车轮传递较大的力矩进行工作。另外还在副电机主轴的外侧端部设计安装了一个电刷及滑环，这是副电机的电源连接处，电源通过电刷后接到副电机线圈的一个电极上，副电机线圈的另一个极再通过主轴搭铁后回到电源负极。副电机固定机架及端盖与副电机齿轮要求采用非导磁的材料加工。

3、电气控制系统由充电器、串联电池组、溶断器、制动保护继电器、启动继电器、辅助放电电容、制动开关组、零速起步按钮、钥匙总开关、角位自动控制器、主电机零速保护电子开关、主电机零速保护信号器、主电机调速器及主电机调速器辅助调速装置、充电二极管组成。电气控制部分只对主电机与副电机的各种工作状况进行控制。

本电气系统的电源设计采用双电池串联的方式供电，这样主要是为提高系统的工作电压而相对的减小适当的工作电流和线路电阻。制动保护继电器也是主电机和副电机组的电源开关，它的继电器吸引圈与制动开关组通过电源相串联连接，因为制动开关组是直接与自行车的制动把相组合安装，所以在自行车行驶中只要握紧任何一个或两个制动刹把，都会将主电机和副电机的电源切断，从而达到即使失误的操作也不会对电机和电源造成损害。启动继电器是在零速启动状态下将电源输送给副电机组，使它们启动工作，启动继电器的吸引线圈与零速起步按钮通过电源相串联连接，起步时先按下零速起步按钮即可启动。设计采用继电器控制的方式比直接采用触点开关控制的方式要减少主电路导线，减小电阻，提高效率，且不容易出故障。

辅助放电电容设计由三个容量较大的电解电容并联组合而成。它是在自行车零速起步和爬到一定的坡度时才与电源进行并联放电工作。这样主要是为减轻电池的负担和增大副电机的工作力度。

角位自动控制器是对自行车行驶在各种坡度路面的状况下进行自动控制调整最佳的工作状态的设备。其控制原理是：利用水银导电液体在管道里面始终有保持两端液面平衡的关系而设计。它由导电水银、圆环形玻璃管、玻璃管固定座、输出电极与覆盖保温材料组成。角位控制器能自动控制主电机和副电机组的最佳工作状态，且还控制着主电机对电源的充电和辅助电容对副电机的放电过程。本设计的控制参考标准是这样的：当自行车行驶的路面在水平线以下-7度至水平线以上8度之间时，主电机进行工作。当自行车行驶的路面在水平线上6度至28度之间时副电机进行工作。另外主电机与副电机在进行转换工作时，还需要有一个良好的过渡，即它们的过渡工作范围为水平线以上6度至8度。当自行车行驶的路面超过水平线以上15度时辅助放电电容开始放电。当自行车行驶的路面低于水平线以下-7度时，主电机开始向电源充电。角位自动控制器里面的水银液体因对环境温度的变化有较强热胀冷缩的作用，所以应该用保温材料将其密封。另外为了保证角位自动控制器的准确性，最好是将其安装在不受减震器所影响的地方固定。

主电机零速保护电子开关是保护主电机免受自行车零速启动时的大电流放电损害，所以在自行车静止时是不能启动主电机的。这个保护开关由主电机零速保护信号器所控制，只有在零速保护信号器工作时，即自行车已行驶在某个速度的时候，这个保护开关才会自动打开，然后才可自由加速行驶。零速保护信号器由转子磁芯、转轴、定子线圈及支架组成。其中转子磁芯是一个圆芯部位空心的圆柱体结构，这个磁芯转子的外圆周处为N极，而内圆周处为S极，其磁力线可从磁芯转子的外圆周表面出发经过两侧的空间后进入其内圆周表面。转轴则安装在磁芯的圆心位置。这个磁芯转子的轴通过一根软轴后与自行车前轮轴相连接旋转。这样当自行车行驶时便可带动转子磁芯一同旋转，当转子磁芯旋转时其附近的定子线圈中便可感应出持续的电动势，当这个定子线圈与保护电子开关管的基极及发射极相连接后构成闭合电路时，这个定子线圈内便会产生持续的信号电流，从而将保护电子开关管也持续的打开。这样主电机才可进入正常的工作状态。

主电机调速器是对正常工作的主电机的转速有自由而且无级的调速作用。它由振荡变频器、功率变换器、铁氧高频变压器、整流滤波器、调速开关、调速电容组成。该调速器首先是通过改变振荡器的振荡频率来改变功率变换器的变换频率，然后功率变换器再改变高频变压器初级线圈的电流变化频率，这样高频变压器的次级线圈中便可感应出随着频率变化而变化着的不同的交变电压，最后把这个不同的交变电压的交流电源经过整流和滤波后即可成为不同电压的直流电源，将这个不同电压的直流电源供给主电机后便可使主电机得到不同的转速。

其中变频振荡器由一个高频振荡电路、高频变压器、带转轴的可变电容及调速开关组成。当这个振荡电路工作时，可通过调节带转轴的可变电容的容量，即可达到这个振荡电路的振荡频率进行自由调节。通过控制调速开关，即可打开或关闭这个振荡电路的工作状况。其中功率变换器是由四个功率开关管组合而成，每个开关管都由振荡变压器的其中一组次级线圈所控制，即每一组次级线圈控制着一个开关管的工作。只有通过合理而顺序的控制其中两个开关管的打开，又同时控制其中两个开关管的关闭，这样不断快速的交替下，便可供给铁氧高频变压器一个高频的交流电源。铁氧高频变压器是利用改变其初级线圈的交变电流的频率来达到改变次级线圈中所感应的交变电压，因为其初级线圈内交变电流的变化频率与次级线圈中所输出的交变电压成正比。高频变压器因为其频率变化较大，所在磁芯体所产生的电感也大，要求其铁芯采用高导磁高电阻的铁氧体软磁材料加工。

主电机调速器辅助调速装置是与主电机调速器进行联合操作控制的一种机械辅助装置。它由活动调节杆、复位弹簧、正极滑动帽、负极固定卡、调节杆止推磁块、上止推体、中间止推体、下导向体、可变电容器齿轮组成。首先上止推体、中间止推体和下导向体是一个互相连接而固定的整体结构，然后活动调节杆则可以穿过这个固定的整体结构后在中心部位进行上下来回的活动。在活动调节杆进行上下运动的过程中，其下端部分设计的齿条则可以带动可变电容器轴上安装的齿轮作半圆周的旋转。因此可变电容器极板间的接触表面积的大小也就可随调节杆的运动而调节了。

其中在正极滑动帽与负极固定卡上它们分别引出一根导线后再与调速器的调速开关的两个点相连接，这样正极滑动帽与负极固定卡也就成了调速器的开关。但这个开关的连接处要分别与外导体作绝缘处理。调节杆可通过钢丝绳后与自行车方向把的加速手柄相连接，这样转动加速手柄即可启动调节杆进行调速。当转动加速手柄而使调节杆被提起时，负极固定卡便开始接触正极滑动帽，这时即可将主调速器的开关打开进行工作，同时调节杆下端的齿条也开始将电容器的齿轮转动进行调速了。调节杆继续上升，那么电容器控制的调速器也进一步加大输出，调节杆上升直到其底部被卡住为止。当松开加速手柄时调节杆在复位弹簧的作用下将调节杆向下推，当复位弹簧压缩着正极滑动帽到中间止推体时即被卡住，便使弹簧失去作用，同时调节杆顶端安装的磁块与上止推体相吸引而使调节杆继续向下推，从而使正极滑动帽与负极固定卡分开，这样也就彻底关闭了调速器。在调速杆向下移动的过程中，调速电容器齿轮也被转到了原来的位置。

本发明的优点是：

1、本发明无需普通直流电动机的电刷与换向器，也无需现代无刷直流电机所需要的位置传感器、电子换流电路及运算集成电路，直接接通直流电源即可。

2、本发明工作时无电感现象，也无电枢反应，定子及转子不会产生涡流损耗，工作效率高。(但如果采用脉宽调制进行斩波调速则线圈会产生电感而降低效率，最好采用无波动直流电源调速)

3、本发明工作时产生的转矩力度大于普通直流电机，因为它是在较大的径向范围受力。永磁体发挥的效率更高，因为大面积的永磁体被充分的利用而发挥全部作用。

4、本发明采用主电机和副电机进行组合后使它们的分工不同且可进行不同功能的自动控制，这样电机的使用更安全，电能效率的发挥也会更高。

5、本发明采用无级无触点的变频变压进行调速，比普通电动自行车所采用的电阻、光电、磁敏、斩波式等调速法更简单、安全、效率高且不易出故障。

【附图说明】

图1是圆盘形永磁体结构的正面平面图及剖面图，并显示其磁力线剖面路径。

图2是在实际应用中其中心部分已挖空的圆盘形永磁体平面图及其磁力线走向显示平面图。

图3是主电机的定子部分和转子部分进行组合初步构思剖面结构图。

图4是最理想的电枢电流走向分布图及剖面显示定子铁芯内线圈与电流的分布图。

图5是实际中的定子铁芯及其线圈的绕制分布平面图或电枢电流走向分布图。

图6是主电机前端转子部分内部平面图。

图7是主电机中间转子部分平面图。

图8是主电机较理想的磁力线分布路径剖面图。

图9是本发明的剖面结构全图。

图10是主电机线圈内通过的电流路径及线路连接剖面示意图。

图11是电机电枢线圈绕组的整体连接初步构思效果示意图。

图12是主电机前端外观平面图。

图13是角位自动控制器示意图及对自行车进行自动功能控制的角位区示意图。

图14是副电机的剖面结构全图。

图15是安装固定副电机的主机架部分正面平面图。

图16是安装固定副电机的机架部分侧面平面图。

图17是副电机机体的后端外观平面图。

图18是副电机与其机架部分组合安装后的外观平面图。

图19是调速器的辅助调速装置部分剖面示意图。

图20是主电机零速保护信号器外观示意图。

图21是电动自行车电气控制系统的电气组合设计框图。

图22是电动自行车电气控制系统的电路设计全图。

图23是电动自行车其车身骨架体结构设计平面图。

图24是电动自行车其外部形状设计全图。

本发明的附图标号可分为电动机结构部分的附图标号和电气控制系统的附图标号及电动自行车车体部分的附图标号。

其中电动机结构部分：1、定子主轴；2、前定子铁芯；3、后定子铁芯；4、线圈绕组；5、固定螺丝；6、导线穿孔；7、前转子铁芯；8、后转子铁芯；9、圆盘形运动永磁体；10、非导磁圈；11、前减速齿轮；12、后减速齿轮；13、滚柱式轴承；14、超越离合器；15、制动毂；16、毂式制动器；17、转子主轴；18、转子铁芯；19前定子铁芯；20、后定子铁芯；21、圆盘形固定永磁体；22、副电机固定主机架；23、机架端盖；24、前后副电机固定连接条；25、副电机齿轮；26、滚球轴承；27、磨擦套；28、电刷；29、固定键。

其中电气控制系统：31、充电器；32、串联电池组；33、溶断器；34、制动保护继电器；35、启动继电器；36、辅助放电电容；37、制动开关组；38、零速起步按钮；39、钥匙总开关；40、角位自动控制器；41、主电机零速保护电子开关；42、主电机零速保护信号器；43、主电机调速器辅助调速装置；44、振荡变频器；45、功率变换器；46、铁氧高频变压器；47、整流滤波器；48、充电二极管；49、主电机；50、副电机组；51、调速开关；52、调速电容。

其中电动自行车的车体部分：61、前轮；62、后轮；63、方向把；64、前叉；65、转向座；66、钢板式连接大梁；67、蓄电池安装盒；68、驾驶座连接主架；69、驾驶靠背；70、后坐支架；71、后支脚踏架；72、后单臂减振器；73、前减振器；74、电气安装盒；75、自行车立架；76、轮毂式主电动机；77、起步副电动机；78、活动臂。

【具体实施方式】

参见附图1，圆盘形永磁体有两个面，每一个面即为一个极。其实这样形状的永磁体可以看作是将普通的圆柱形永磁体的两个极面作了充分扩展放大的形式，这样可使磁体的磁场得以充分的发展利用。它的磁力线是从磁体N极平面部分均匀向外散射，然后再向背后的S极平面均匀聚集而构成回路的永磁体。

参见附图5，定子铁芯总体上呈圆盘的形状，在中心位置留有一圆形的空间能够刚好让定子主轴1穿过。在其外圆周处设计均匀的分布着嵌线凹槽，在其内圆周处也设计均匀的分布着相应的嵌线凹槽，且在定子铁芯的两个侧面上同样也均匀的分布着总体呈放射状的相应的嵌线凹槽，每个凹槽内只嵌绕一根导线即可。本设计在实际中采用的绕制方式是外圆周处的三个槽与内圆周处相近的一个槽相对应而成一个组合，即在绕线时外圆周处每个槽绕一下，而在相近的内圆周处的一个槽要绕三下，因此外圆周的槽数始终是内圆周槽数三倍，这样才能使定子铁芯上绕制的导线总体上呈均匀的放射状排列。

参见附图6，主电机前转子铁芯7是一个总体上呈圆形罩状的结构体，在它的圆心处留有一个供定子主轴穿过的圆孔，这个圆孔总是要与主轴保持着较小的间隙。在前转子铁芯7的内侧表面粘接固定有圆盘形运动永磁体9，这个运动永磁体的中心位置也留有一个圆孔并与转子铁芯的圆孔相重合固定。其中在圆盘形运动永磁体9的外圆周处还设有一圆形的非导磁圈10，它将永磁体的外圆周与转子铁芯的内圆周进行磁路阻隔并卡住永磁体，将其限制在正中位置。在前转子铁芯的圆筒形毂式侧面处还设计有几个螺丝孔，用于与后转子铁芯进行螺丝连接紧固后而成为一个密封的整体。

参见附图9，图中主电机部分由定子主轴1、前定子铁芯2、后定子铁芯3、前转子铁芯7、后转子铁芯8及三个圆盘形运动永磁体9组成。定子主轴1的形状是电机内部分较粗而电机两端的外部分较细的结构体，在主轴的中间部分设有两道凸出的卡环用于安装两个定子铁芯，使其有一个准确的固定位置。在主轴两端的轴心处分别设有一道长度一定的导线穿孔6，用于穿过电源导线的输入。在主轴的两端处还各设有一个凹槽，用于将两个副电机机架22通过固定键29后，将它们分别固定在主轴的两端，然后再用一根副电机固定连接条24将它们连接成一个整体即可。

前定子铁芯2和后定子铁芯3是一个中心有孔的圆盘形状，它们以加热的方式分别从轴的两端向中间套进去后，刚好被轴中间的两道卡环卡住即可。前转子铁芯7是一个圆形罩状的结构体，它可以将三个圆盘形运动永磁体9和两个定子铁芯全部包裹或罩住在里面。后转子铁芯8是一个圆盘状的结构体，它可以与前转子铁芯7进行吻合安装，然后再通过几个固定螺丝5将它们拧紧加固即可组成一个密封的整体结构。前后转子铁芯的内侧面分别各固定有一个固盘形运动永磁体9，在两个定子铁芯2和3之间的空隙中也设有一个圆盘形的运动永磁体9，它的外圆周部分与前转子铁芯7的内圆周中间部分也通过几个固定螺丝5进行固定，并始终保持与两个定子铁芯有着一定间隙。并且在每个圆盘形运动永磁体的外圆周部分与前转子铁芯7的内圆周部分之间都通过一圆形非导磁圈10后进行隔磁处理固定，这样可使永磁体的外圆周部分不会直接与转子铁芯接触形成回路而损失一部分磁能。在前后转子铁芯的中心圆孔的外侧处分别各设有一圆筒形的毂，这个毂与转子铁芯其实是一个整体。在这两个毂的外圆周部分分别安装了前减速齿轮11和后减速齿轮12，每个减速齿轮其实又由一个超越离合器14和延伸加大的齿轮盘组成，这个齿轮用于与副电机的齿轮进行减速式连接传动。在这两个毂的内圆周空间部分是轴承腔用于安装滚柱式轴承13。同时后转子铁芯的圆筒形毂要稍延长一些，在这个毂的内圆周处不仅要安装一个轴承，而且还要安装一个外胀式的毂式制动器16。在安装两个前后转子铁芯之前应先将两个轴承安装在主轴上，然后再将前后转子铁芯直接套在主轴上进行合拢紧固后即可成为一个可以绕轴旋转的整体电机。图中的两个副电机分别安装固定在主电机上方的两侧位置，它们可同时带动主电机或车轮作较大转矩的减速旋转。两个副电机要求只在自行车起步和爬坡时才工作。且要求设计副电机工作时的自行车有一个中速的行驶速度。

参见附图13，图中左边为自行车行驶时自动功能控制的角位区示意图，图中平行的虚线为水平线，并以此线作为标准平面。其中水平线+8度至水平线-7度为A区，A区范围内是主电机正常工作的路面区域。其中水平线+6度至水平线+28度为B区，B区范围内是副电机正常工作的路面区域。其中水平线+15度至水平线+28度为D区，D区范围内是表示并联电容组开始配合电池放电，这样可以减小电源的电流强度并增大副电机力度。其中水平线+6度至水平线+8度为C区，C区范围内是主电机与副电机的共同工作区，也称过渡工作区。其中水平线-7度以下为E区，E区范围是主电机向电源反充电的路面区域。图中右边为角位自动控制器示意图。图中圆环形的并标有黑点的管道为导电水银的玻璃管，这是角位控制器具核心部分。在这个圆形的玻璃管内设计了五个电极，其中a电极接电源，其中b电极通向主电机电枢，其中c电极通向副电机电枢，其中d电极接并联电容组正级，其中e电极连接主电机反充电电路。

参见附图14，副电机部分由副电机机体和副电机机架组成。其中副电机机体由转子主轴17、转子铁芯18、前定子铁芯19、后定子铁芯20、两个圆盘形固定永磁体21及副电机齿轮25组成。在转子主轴17的中间位置设有一圆盘形的转子铁芯18、转子铁芯也通过加热后从主轴的前端套入后直到被主轴上设有凸起卡环卡住为止，而刚好固定在其中间位置。转子主轴17的前端处设有一单片的转子滑环和单电刷28，它用于向旋转的电枢提供直流电源。转子主轴后端处较细的轴部分安装有一个副电机齿轮25，用于与主电机的减速齿轮进行减速传动作用。后定子铁芯20也是一个圆形的罩状结构体，它可将前后圆盘形固定永磁体21与转子铁芯18全部包裹在里面。前定子铁芯19是一个圆盘形状的结构体，它可以与后定子铁芯相吻合后可构成一个密封的电机整体。在前后定子铁芯的内侧面分别固定了圆盘形固定永磁体21，两个永磁体始终与它们中间的转子铁芯保持着较小的间隙。在转子主轴的两端与定子铁芯相连接处各设了一个磨擦套27，这也是代替滚动轴承的一种滑动磨擦轴承。

副电机机架由副电机固定主机架22与机架端盖23组成。主机架22是一个环形的框架结构体且下面部分较为凸出，在凸起的部位设有一带卡口的圆孔。其中框架结构的中间空间部分用来安装副电机机体，它的下端凸出部位的圆孔用于与主电机的定子主轴进行固定安装。且还在副电机的外圆周处设有几根条状的凸起，同时也在环形框架结构的内圆周处设有几个条状凹槽，这样将它组合安装在一起，便会被牢牢的卡住，然后再用几个螺丝锁紧即可。机架端盖23安装在主机架22的后侧面，它主要是用于承担一部分转子主轴的压力，转子主轴后端较细的一部分通过滚珠轴承26后直接与端盖连接，这样当副电机齿轮与主电机齿轮工作受压时，这个滚珠轴承便会承担一半的压力，这样可大大延长了磨擦套27的使用寿命，并减小副电机工作阻力。

参见附图22，电气控制部分主要是设计对主电机和副电机组进行控制的电路。本电源串联电池组32由两个蓄电池组合而成，这样设计是为了相对提高电源电压而适当的降低电机的工作电流。本电气系统设计采用电源负极搭铁的方式连接，同时在负极连接线中串联了钥匙总开关39作为全电路的关断总控制开关。当电机工作时电源的电流首先通过串联的溶断器33进行电流保护，然后通过制动保护继电器34进行自行车制动时的保护工作，制动保护继电器的工作线圈通过可控制的制动开关组37后与电源串联。通过制动保护继电器34的电源线一路与角位自动控制器40的其中一个a电极相连接，而另一路则先通过一个二极管后再与启动继电器35和辅助放电电容36相连接，其中启动继电器35的工作线圈可通过零速起步按钮38后与电源串联，它用于自行车零速时的起步工作。其中启动继电器34与辅助电容的工作电流还可并联后的方式给副电机组50以启动工作。且其中辅助放电电容的另一路还可通过角位自动控制器40的d电极和C电极后供给副电机适当的爬坡时的工作电流。

角位自动控制器40的b电极可为主电机零速保护电子开关41、主电机调速器及主电机49供给需要的工作电流。其中首先工作电流要通过零速保护电子开关41后才通过主电机调速器。但零速保护电子开关是受零速保护信号器42的控制，零速保护信号器的工作线圈中所产生的直流信号电流可将电子开关41的基极与发射极进行导通这样它才能打开。也就是说只有在该信号器工作时零速保护电子开关才会打开。当主电机调速器工作之前，首先要打开调速器辅助调速装置上的接触式调速开关51，然后振荡变频器44开始工作，并且可继续调节振荡器44的调速电容52，使其振荡频率加快，这样受振荡器所控制的功率变换器45也随加快电流的变换频率，同时功率变换器也使得铁氧高频变压器46的初级线圈电流的交变率加快，这样也就可以使这个变压器的次级线圈中感应出不同电压的交变电流，最后将不同电压的交变电流通过整流滤波器47的整波滤波后才能转换成不同电压的直流电源，即可供给主电机49进行工作。主电机还可以在适当的时候通过充电二极管48及角位自动控制器40的e极后向电源电池组进行提供反充电电流。

Claims (8)

1、一种电动自行车专用无电感直流电动机，包括主电机部分和副电机部分，其特征是：运用呈放射状路径进行排列的多根导线所构成的通电线圈在与其垂直的圆盘形磁体的均匀强磁场中始终受到同方向旋转力而做功，其中呈放射状路径排列的通电线圈与一根主轴相固定连接后既可作为转子部分，也可作为定子部分，同时一面为S极，而另一面为N极的圆盘形磁体的中心部分可穿过主轴后并与放射状排列的线圈靠近，这个圆盘形的磁体既可作为定子部分，也可作为转子部分。

2、根据权利要求1所述的电动机，其特征是：所述主电机部分由定子主轴、前定子铁芯、后定子铁芯、放射状排列线圈、前转子铁芯、后转子铁芯、圆盘形运动永磁体、前减速齿轮、后减速齿轮、制动毂组成。

3、根据权利要求1所述的电动机，其特征是：所述副电机部分由转子主轴、转子铁芯、放射状排列线圈、前定子铁芯、后定子铁芯、圆盘形固定永磁体、副电机固定机架、副电机齿轮组成。

4、一种权利要求1所述电动自行车的电气控制系统，其特征是：它由制动保护继电器、启动继电器、辅助放电电容、制动开关组、零速起步按钮、角位自动控制器、主电机零速保护电子开关、主电机零速保护信号器。主电机调速器、主电机调速器辅助调速装置组成。

5、根据权利要求4所述的电气控制系统，其特征是：角位自动控制器是运用导电液体在管道里面始终有保持两端的液面平衡的关系设计，它由导电液体、圆环形管道、圆形管道固定座、输出电极组成。

6、根据权利要求4所述的电气控制系统，其特征是：主电机零速保护信号器由转轴、外圆周为一个极而内圆周为另一个极的空心圆柱体结构转子磁芯、定子信号线圈及固定支架组成。

7、根据权利要求4所述的电气控制系统，其特征是：主电机调速器由振荡变频器、功率变换器、铁氧高频变压器、整流滤波器组成。

8、一种权利要求1所述的电动自行车的车体，其特征是：车身骨架部分和电动自行车外形部分组成，在前轮与后轮之间有一个整体式的车架体结构，这个车架体由转向座、钢板式连接大梁、驾驶座连接主架、驾驶靠背、后坐支架、后支脚踏架组成；在驾驶座连接主架与后轮主轴之间两侧分别有一根活动臂进行活动连接，且在驾驶座连接主架的上方向前凸起的部位至两根活动臂之间设有一个叉形的单臂减振器进行活动连接；在驾驶座连接主架与后轮之间的空隙处设有一个固定的电气安装盒；在钢板式连接大梁的下面部分的两侧各安装一个蓄电池安装盒；在后轮的中心安装的是一个轮毂式主电动机，同时还在后轮上方的两侧处各安装了一个起步副电动机，它们与后轮主轴相固定连接；后支脚踏架应该绕过副电机和活动臂后其两端与驾驶连接主架、后坐支架进行固定连接。

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